Solarenergie - Die Kraft der Sonne nutzen

Quelle: Deutscher Wetterdienst

Die Sonne ist der Garant allen Lebens auf unserem Planeten.

Sonnenlicht ist elektromagnetische Strahlung, die im Sonneninneren durch Kernfusion entsteht und in den Weltraum abgestrahlt wird. Nach menschlichem Ermessen bietet uns die Sonne ein schier unerschöpfliches Energiepotenzial, das noch bis zu 5 Milliarden Jahren zur Verfügung stehen kann, kostenlos und umweltfreundlich. Die auf der Erde eintreffenden Sonnenstrahlen sind pure Energie, die wir nutzen können. Nach Berechnungen des Bundesumweltministeriums liefert die Sonne eine jährliche Energiemenge, die den Energiebedarf in Deutschland um das etwa 80-fache übersteigt.

Auf jeden Quadratmeter der Erdoberfläche trifft in Deutschland im Jahr durchschnittlich eine Energiemenge der Sonne von 1.075 kWh (Globalstrahlungskarte 2014); in Äquatornähe sind es bis zu 2.800 kWh pro m2.

Der Deutsche Wetterdienst hat in 2014 für Mittelhessen Globalstrahlungswerte von 961 – 1060 kWh/m2 ermittelt.

Diese Strahlungsdaten lassen eine fiktive aber dennoch interessante Berechnung zu:

Laut Statistik liegt der Durchschnitt beim Gesamtstromverbrauch bei rd. 6.000 kWh pro Einwohner. Das heißt rd. 6 m2 Erdoberfläche würden theoretisch genügen, um den Stromverbrauch eines mittelhessischen Bürgers abzudecken. Für die Gesamtbevölkerung Mittelhessens wären also rd. 6.250.000 m2 (entspricht 625 ha) erforderlich. Dies entspricht einem Flächenanteil von etwa 0,1 % der Fläche Mittelhessens. Wenn es uns gelänge, die komplette Sonnenergie aufzufangen, in Strom umzuwandeln und bedarfsgerecht zur Verfügung zu stellen, könnten wir den gesamten mittelhessischen Strombedarf durch diese Fläche abdecken.

Bei der Nutzung der Sonnenstrahlung für den Energiebedarf des Menschen sind vor allem drei Aspekte zu berücksichtigen:

  • die unterschiedliche Einstrahlungsintensität auf die Erdoberfläche;
  • zur Nutzung der Sonnenergie sind bezogen auf die relativ geringe Energiedichte verhältnismäßig große Empfangsflächen erforderlich;
  • das Energieangebot der Sonne ist nicht rund um die Uhr verfügbar; Sonnenenergie steht nur tagsüber zur Verfügung und unterliegt zudem jahreszeitlichen und witterungsbedingten Schwankungen.

Solarenergie können wir derzeit auf 2 Wegen nutzen:

Solarthermie: Warmwasser durch die Sonne

Aktive Solarsysteme wandeln die Energie der Sonne mittels Kollektoren und Absorbern in Wärme um und leiten diese in einen Vorratsspeicher bis zur späteren Nutzung. Solaranlagen sorgen für warmes Wasser zum Duschen, Spülen und Waschen und können bei entsprechender Auslegung auch die Raumheizung unterstützen. Auf deutschen Dächern sind weit über eine Million Kollektoranlagen installiert. Thermische Solaranlagen können zwischen 25 und 40 % der Sonnenstrahlung in Wärme umwandeln.

Mit Solarthermie können bis zu 70 % des jährlichen Energiebedarfs für Brauchwasser abgedeckt werden. Sofern sie als Kombi-Anlagen mit der Heizungsanlage kombiniert werden und diese unterstützen, können sie bei optimaler Auslegung mit etwa 20 bis 30 % zur Deckung des jährlichen Gesamtwärmebedarfs beitragen.

Funktionsweise von Solaranlagen

Zweikreissystem zur Warmwasserbereitung Quelle: BINE Informationsdienst, basis Energie 4, 2008
Kombinierte solare Raum- und Warmwasserheizung mit Zweispeichersystem Quelle: BINE Informationsdienst, basis Energie 4, 2008

Photovoltaik: Stromerzeugung durch die Kraft der Sonne

Seit dem Inkrafttreten des EEG –Erneuerbare-Energien-Gesetz am 01. April 2000 (EEG 2000) hat die Photovoltaik zunehmend an Bedeutung gewonnen.

Photovoltaik auf Dächern, an Fassaden und in Freiflächenanlagen ist für uns heute schon ein fast alltägliches Bild geworden. Bei der Photovoltaik wird in Solarzellen das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umgewandelt. Der dadurch gewonnene Gleichstrom wird über Wechselrichter in Wechselstrom überführt und steht dann als Verbrauchsstrom zur Verfügung. Photovoltaikanlagen können sowohl als Inselanlagen zum reinen Eigenverbrauch als auch als netzgekoppelte Anlagen, bei denen der Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird, betrieben werden. Inselanlagen dienen vorrangig der Stromversorgung netzferner Gebäude; Anlagen mit Netzeinspeisung sind der Regelfall.

Die Leistung der einzelnen Solarmodule wird in WPeak, die Leistung einer Anlage in kWPeak angegeben. Peak steht für die Spitzenleistung, die Solarmodule unter Standard-Testbedingungen erzielen. Festgelegt sind diese mit 1.000 Watt Einstrahlungsleistung, die senkrecht auf 1 m2 Fläche treffen. Die Temperatur der Zelle beträgt hierbei gleichmäßig 250C und AM = 1,5. Letzeres heißt, dass der Sonnenstrahl auf seinem Weg das 1,5-fache der Atmosphärendicke (AM = Air Mass) der Erde durchdringt. Moderne Photovoltaikmodule haben heute einen Wirkungsgrad von 14 – 17 %. In Mittelhessen können Durchschnittserträge im Jahr von etwa 900 bis 950 kWh pro kWPeak erzielt werden.

Zum 31.12.2014 betrug die installierte Leistung der Photovoltaikanlagen in der Bundesrepublik Deutschland 38.200 MW.1

Mit der Novellierung des EEG durch die sog. PV-Novelle vom 23. August 2012 hat die Bundesrepublik rückwirkend zum 01. April 2012 für Photovoltaikstrom die gesetzlich garantierte Einspeisungsvergütung neu gestaltet und zugleich den Gesamtausbau der nach EEG vergütungsberechtigten Anlagen auf ein Gesamtausbauziel von 52 GW begrenzt. Ungeachtet dieses Gesamtausbauziels bleibt aber für zusätzliche Anlagen der Einspeisevorrang für Photovoltaikstrom auch nach Überschreiten des Ausbauziels erhalten. Künftig gibt es für Dachanlagen vier Vergütungsklassen: Anlagen bis 10 kW installierter Leistung, bis 40 kW, bis 1.000 kW und über 1.000 kW.
Freiflächenanlagen erhalten eine einheitliche Vergütung. Bei Freiflächenanlagen ist die Vergütung auf Anlagen bis 10 MWp begrenzt, darüber hinaus besteht keine Anspruch auf eine Einspeisevergütung nach EEG.

Freiflächenanlagen erhalten auch nach der EEG-Novellierung vom 23. August 2012 weiterhin eine Einspeisevergütung wenn sie innerhalb eines Bebauungsplanes oder einer Fläche, für die ein Verfahren nach § 38 Satz 1 des Baugesetzbuches durchgeführt worden ist (z.B. Deponiefläche), errichtet wird.

Im Falle eines Bebauungsplans muss dieser nach dem 01. September 2003 aufgestellt oder geändert worden sein.

Die Vergütungspflicht des Netzbetreibers besteht nur, wenn sich die Anlage

  1. auf Flächen befindet, die zum Zeitpunkt der Aufstellung bzw. Änderung des Bebauungsplanes bereits versiegelt waren,
  2. auf Konversionsflächen aus wirtschaftlicher, verkehrlicher, wohnungsbaulicher oder militärischer Nutzung befindet,
  3. auf Flächen befindet, die längs von Autobahnen oder Schienenwegen liegen und sie in einer Entfernung von bis zu 110 Metern, gemessen vom äußeren Rand der befestigten Fahrbahn, errichtet wurde,
  4. auf einer Fläche befindet, die bereits vor dem 01. Januar 2010 als Gewerbe- oder Industriefläche nach Baurecht festgesetzt war.

Sowohl bei Photovoltaikanlagen auf Dächern als auch bei Photovoltaikanlagen auf Freiflächen ist mit der PV-Novelle des EGG ausgehend von den zum 01. April 2012 festgelegten Vergütungssätzen, die Vergütung für Neuanlagen in Abhängigkeit vom jeweiligen Monat der Inbetriebnahme degressiv gestaffelt. So werden ab Mai 2012 diese Vergütungssätze monatlich um 1,5 % gegenüber dem jeweiligen Vormonat abgesenkt. Dies entspricht einer jährlichen Absenkung von 11,4 %. Gleichzeitig wurde ein jährlicher Zubaukorridor für Photovoltaikanlagen von 2.500 – 3.000 MWp eingeführt und die Höhe der Degression an den Zubau der Photovoltaik gekoppelt.

Die wichtigsten Änderungen der EEG-Novelle zur Photovoltaik 2012 sind in nachfolgender Übersicht zusammengefasst (Quelle: BMU, 28.06.2012)

 EEG, BMU vom 28.06.2012 (29 KB)

Der Ausbau der Photovoltaik hat insbesondere in den Jahren ab 2009 stark zugenommen. Diese Zunahme wurde begünstigt durch stark fallende Modulpreise, der im Verhältnis zur Investition günstigen Einspeisungsvergütungen und eine hohe Akzeptanz für diese Energieform (s. Abb. Entwicklung der Photovoltaik in Deutschland).

Mit der kontinuierlichen Absenkung der Vergütungen hat der Gesetzgeber im EEG auf diese Marktentwicklung mehrfach reagiert. Diese Entwicklung führt zu der Einschätzung, dass bis 2013 die sogenannte Netzparität eintritt. Solarstrom lässt sich dann zu Kosten erzeugen, die den herkömmlichen Stromtarifen für Verbraucher entsprechen. Zwischen Solarstrom und Haushaltsstrom entsteht dann Kostengleichheit.

Strom aus Windenergie und Photovoltaik hat den Nachteil, dass er nicht dauerhaft zur Verfügung steht und in seiner Erzeugung starken jahreszeitlichen Schwankungen unterliegt. Dabei wird oft darauf verwiesen, dass in Spitzenzeiten die Stromerzeugung aus Wind und aus Photovoltaik in der Addition nicht benötigten Überschussstrom verursacht. Andererseits zeigen Untersuchungen auf, dass sich unter Darstellung der Erzeugungsprofile Wind- und Sonnenstrom gegenseitig ergänzen, da klimabedingt in Deutschland hohe Sonneneinstrahlungswerte und hohe Windstärken negativ korrelieren. Dies spricht letztlich für einen ausgewogenen Mix von Stromerzeugungskapazitäten aus Wind – und Sonnenergie.

Quelle: BMU; Broschüre Solarstrom – Energiequelle mit Zukunft, Juli 2010

Bei einer installierten Leistung von etwa 30 GW Photovoltaik und rund 30 GW Windenergie im Jahr 2012 gelangten bis zum 30. September 2012 nur selten mehr als 30 GW in das Stromnetz (Quelle: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland, Fraunhofer Institut – ISE -, Freiburg; Stand: 28.11.2012, www.ise.fraunhofer.de)

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1 Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft und Verkehr (2015), Erneuerbare Energien 2014.